JP7237961B2 - Method and apparatus for post-weld heat treatment of aluminum alloy parts and welded aluminum parts treated according to the method - Google Patents

Method and apparatus for post-weld heat treatment of aluminum alloy parts and welded aluminum parts treated according to the method Download PDF

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Description

本発明は、溶接されたアルミニウム合金部品の溶接後熱処理のための方法及び装置並びにその方法に従って処理された溶接されたアルミニウム合金部品に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for post-weld heat treatment of welded aluminum alloy parts and welded aluminum alloy parts treated according to the method.

例えば、鋼と比較してアルミニウム合金の低い密度によって高い強度重量比が得られる。これは、自動車産業、海洋及び沖合構造物、橋梁並びに建築物においてなど、多くの構造用途においてアルミニウム合金を魅力的なものにする。しかしながら、溶接されたアルミニウム合金は、溶接プロセスによる「軟化域」の形成に起因して強度が大幅に低下する。この問題は、影響を受けない母材と比較して溶接域で耐荷力が著しく低いため、構造用アルミニウムの使用に深刻な制限があることを示している。 For example, the low density of aluminum alloys compared to steel provides a high strength-to-weight ratio. This makes aluminum alloys attractive in many structural applications, such as in the automotive industry, marine and offshore structures, bridges and buildings. However, welded aluminum alloys experience a significant loss of strength due to the formation of "softened zones" by the welding process. This problem presents a serious limitation to the use of structural aluminum due to the significantly lower load-bearing capacity in the weld zone compared to the unaffected base metal.

Eurocode 9など、アルミニウム合金に関する現在の設計基準では、この強度低下は、強度低下係数の導入によって説明される。これらの係数は、0.5程度と低い場合があり、母材強度の50%のみを利用できることを意味する。実際の係数は、合金の種類と加工条件とによって決まる。そのため、構造用アルミニウムの強度の完全な利用のために、溶接に関する革新的な解決策が必要である。 In current design standards for aluminum alloys, such as Eurocode 9, this strength reduction is accounted for by the introduction of a strength reduction factor. These factors can be as low as 0.5, meaning that only 50% of the matrix strength is available. The actual modulus will depend on the alloy type and processing conditions. Therefore, innovative welding solutions are needed to fully exploit the strength of structural aluminum.

本発明は、溶接に関連する強度低下の問題に対する可能な解決策を提示する。本発明は、金属不活性ガス(MIG)、タングステン不活性ガス(TIG)、レーザ及びハイブリッド法(例えば、レーザ及びMIG)、冷間金属移行(CMT)並びに摩擦撹拌溶接(FSW)法のような溶融溶接法を含む、いくつかの種類の溶接法に適用することができる。本発明では、溶接されたアルミニウム合金構造体の耐荷力を局部溶接後熱処理(PWHT)によって最適化するための新しい新規な方法及び装置が提供される。 The present invention presents a possible solution to the strength loss problem associated with welding. The present invention is useful for welding processes such as metal inert gas (MIG), tungsten inert gas (TIG), laser and hybrid processes (e.g. laser and MIG), cold metal transfer (CMT) and friction stir welding (FSW) processes. It can be applied to several types of welding processes, including fusion welding processes. The present invention provides a new and novel method and apparatus for optimizing the load-bearing capacity of welded aluminum alloy structures by localized post-weld heat treatment (PWHT).

本方法は、低下した耐荷力を有する熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品の溶接後熱処理を伴い、本方法では、熱影響域が特定され、且つ加熱源が前記熱影響域の少なくとも1つの第1の箇所に適用され、加熱源が、Tminを超える温度を発生させ、更に、加熱源が少なくとも時間tminにわたって前記箇所に保持される。 The method involves post-weld heat treatment of a welded aluminum alloy component having a heat affected zone with reduced load-bearing capacity, wherein the heat affected zone is identified and a heating source comprises at least one of said heat affected zones. A heating source is applied to two first locations to generate a temperature above T min and the heating source is held at said location for at least a time t min .

装置は、アルミニウム合金部品に対して相対的に移動可能であり、且つその部品の所定の位置に位置決めされることが更に可能である加熱源を含み、加熱源は、前記位置において部品に伝達される熱に影響を及ぼす温度及び休止時間に関して更に制御可能である。 The apparatus includes a heat source movable relative to the aluminum alloy part and further capable of being positioned at a predetermined position on the part, the heat source being transmitted to the part at said position. Further control is possible with respect to temperature and dwell time which affect the heat generated.

局部加熱では、誘導加熱、レーザ加熱、電気抵抗加熱、摩擦撹拌溶接工具などを含む異なる方法を使用することができる。この概念は、4xxx、6xxx及び7xxx系の時効硬化合金と、特に5xxx系の加工硬化合金とを含む異なる合金系に使用することができる。6xxx合金では、これらの種類の合金での熱影響域(HAZ)の大きい強度低下に起因して、潜在的な強度向上及びそれに伴う軽量化が特に著しい。軽量化は、構造物の重量低減に関して利点があるだけでなく、材料費にも直接関係する。 Different methods of localized heating can be used, including induction heating, laser heating, electrical resistance heating, friction stir welding tools, and the like. This concept can be used for different alloy systems, including the 4xxx, 6xxx and 7xxx series of age-hardened alloys and especially the 5xxx series of work-hardened alloys. The potential strength gains and concomitant weight savings are particularly significant in 6xxx alloys due to the large strength loss in the heat affected zone (HAZ) in these types of alloys. Weight reduction is not only beneficial in terms of weight reduction of structures, but is also directly related to material costs.

押出形材、圧延及び鋳造合金によって製造された薄板材料並びにこれらの組み合わせを含む、異なる種類のアルミニウム製品又は部品を使用することができる。 Different types of aluminum products or parts can be used, including extruded profiles, sheet material made by rolled and cast alloys, and combinations thereof.

この局部溶接後熱処理により、部品の耐荷力を大幅に増加させることができる。 This local post-weld heat treatment can significantly increase the load-bearing capacity of the component.

これらの及び更なる利点は、添付の特許請求の範囲において定義される本発明によって達成され得る。 These and further advantages can be achieved by the invention as defined in the appended claims.

本発明について、例及び図によって更に説明する。 The invention is further illustrated by examples and figures.

6060型合金の溶接部にわたる硬さ測定の結果を図示する。FIG. 4 graphically illustrates the results of hardness measurements across a weld of a 6060 type alloy; FIG. 局部PWHTなしの、長手方向溶接部の両側にある熱影響域を図示する。FIG. 4 illustrates heat affected zones on both sides of a longitudinal weld without localized PWHT. 局部PWHT後の、長手方向溶接部の両側にある熱影響域を図示する。FIG. 4 illustrates the heat affected zones on both sides of a longitudinal weld after local PWHT; FIG. 図2に示す溶接部の耐荷力Fを図示する。FIG. 2 illustrates the load-bearing capacity F1 of the weld shown in FIG. 局部PWHTを受けた、図3に示す溶接部の耐荷力Fを図示する。4 illustrates the load carrying capacity F2 of the weld shown in FIG. 3 subjected to localized PWHT. 局部PWHT用の加熱源によって脆弱域の箇所をどのように操作できるかを図示する。FIG. 11 illustrates how a heat source for localized PWHT can manipulate the location of the weakened area. FIG. 局部PWHTにおいて加熱源を移動させることができるパターンを図示する。Figure 3 illustrates a pattern by which the heating source can be moved in local PWHT. 制御された方式で脆弱域の位置をどのように操作できるかを図示する。Figure 6 illustrates how the location of the vulnerable area can be manipulated in a controlled manner. 第2の局部熱処理の使用を図示する。Figure 4 illustrates the use of a second localized heat treatment; 本発明に係るPWHTによる効果を可視化するための理論的設定を開示する。A theoretical setup is disclosed for visualizing the effect of PWHT according to the present invention. 直線形状及び波形状を有する、HAZでの急速PWHTの効果の検証設定を開示する。A validation set-up for the effectiveness of rapid PWHT in the HAZ is disclosed with linear and wavy shapes. 直線状HAZでの、115MPaのHAZ降伏応力に対する厚さ2mmの板の中央の有効応力を可視化する。Visualize the effective stress in the center of a 2 mm thick plate for a HAZ yield stress of 115 MPa in a straight HAZ. 膨出したHAZでの、115MPaのHAZ降伏応力に対する厚さ2mmの板の中央の有効応力を可視化する。Visualize the effective stress in the middle of a 2 mm thick plate for a HAZ yield stress of 115 MPa in a bulging HAZ. 図11の試料に基づくシミュレーションの概要を示す表である。12 is a table showing a summary of simulations based on the samples of FIG. 11; 局部後熱処理後の脆弱域の箇所の更なる例を開示する。Further examples of areas of weakness after localized post heat treatment are disclosed. 溶接部の横断方向の力を受けた溶接された部品の断面を開示する。Discloses a cross-section of the welded parts subjected to a force in the transverse direction of the weld. 部品の表面に直交する方向の圧力を受けた溶接された部品の断面を開示する。Discloses a cross-section of the welded parts under pressure perpendicular to the surfaces of the parts. PWHTなしの、溶接部を横断する荷重印加中の歪の分布を異なるグレースケールとして示す。The strain distribution during load application across the weld without PWHT is shown as different grayscales. 図18の溶接部の箇所と、PWHTなしの、熱影響域における軟化域の箇所に対応する破断の位置の表示とを示す。19 shows the location of the weld of FIG. 18 and an indication of the location of the fracture corresponding to the location of the softened zone in the heat affected zone without PWHT. 図18と同様であり、歪パターンをグレースケールで示すが、ここでは、局部PWHTが本発明に従って横断方向の加熱に関して適用されている。Similar to FIG. 18 and showing the strain pattern in grayscale, but here local PWHT is applied for transverse heating according to the present invention. 図20の局部PWHTの痕跡を示す。Figure 20 shows the local PWHT signature of Figure 20; それぞれ図18~図19及び図20~図21で説明する2つの状態についての記録された応力対伸びを開示する。Disclosed are the recorded stress versus elongation for the two conditions described in FIGS. 18-19 and 20-21, respectively.

図1は、6060型合金の溶接部11にわたる硬さ測定の結果を図示しており、本発明によって解決すべき問題を説明している。溶接部からHAZ内の境界線12、13までの軟化域によって耐荷力が低下する。溶接部にわたる硬さ測定により、これらの軟化域が明らかになる。 FIG. 1 illustrates the results of hardness measurements across a weld 11 of a 6060 type alloy, illustrating the problem addressed by the present invention. The softened zone from the weld to the boundaries 12, 13 in the HAZ reduces the load bearing capacity. Hardness measurements across the weld reveal these areas of softening.

図2は、図1に示すように、長手方向溶接部11の両側に境界線12、13を有する熱影響域を図示している。これは、従来技術での脆弱域の箇所である。 FIG. 2 illustrates a heat affected zone with boundaries 12, 13 on either side of the longitudinal weld 11 as shown in FIG. This is the point of weakness in the prior art.

図3は、本発明に係る局部PWHT後の、長手方向溶接部11の両側にある熱影響域の箇所を図示している。選択した局部溶接後熱処理(PWHT)のため、熱影響域の境界線22、23は、ここでは、ジグザグパターンとして図示されている。 FIG. 3 illustrates the location of the heat affected zone on either side of the longitudinal weld 11 after localized PWHT according to the present invention. Due to the selected local post-weld heat treatment (PWHT), the boundaries 22, 23 of the heat affected zone are illustrated here as a zigzag pattern.

図4は、図2に示す溶接部11の耐荷力Fを図示している。 FIG. 4 illustrates the load carrying capacity F1 of the weld 11 shown in FIG.

図5は、境界線22、23と共に局部PWHTを受けた、図3に示す溶接部11の耐荷力Fを図示している。 FIG. 5 illustrates the load carrying capacity F2 of weld 11 shown in FIG.

この局部PWHTによって耐荷力の著しく高い交差溶接耐荷力が得られる(すなわちF>>F)ことを実証し得る。 It can be demonstrated that this local PWHT results in significantly higher cross-weld load carrying capacity (ie, F 2 >>F 1 ).

これは、脆弱域のより広い領域が力を分散させるように適合されることによる。いくつかの領域では、脆弱域は、荷重印加方向に平行である。 This is due to the fact that the larger areas of weakness are adapted to distribute forces. In some areas the zone of weakness is parallel to the direction of load application.

脆弱域の箇所は、次のように操作することができる。加熱源(例えば、誘導コイル)を所定のパターンに沿って移動させる。このパターンは、単純なパターン、例えば図6の左側部分に図示するような直線であり得る。この例では、まず加熱源が位置1に移動して、電源がオンにされる。次いで、電源が切られ、加熱源が位置2に移動して、この位置2で電源が再びオンなどにされる。これにより、右図に図示するように、新たな脆弱域パターンが生成され、実際のパターン32(最も右側)が理想的な矩形ジグザグパターン22から僅かにずれる。溶接部は、参照符号11で表されている。 The location of the weak zone can be manipulated as follows. A heating source (eg, an induction coil) is moved along a predetermined pattern. This pattern can be a simple pattern, for example straight lines as shown in the left part of FIG. In this example, the heating source is first moved to position 1 and turned on. The power is then turned off, the heating source is moved to position 2, where the power is turned on again, and so on. This creates a new vulnerable area pattern, as shown in the right figure, where the actual pattern 32 (rightmost) deviates slightly from the ideal rectangular zigzag pattern 22 . The weld is designated by reference number 11 .

加熱源が沿って移動するパターンは、複雑であり、且つ溶接部に対して直交するか又はある角度をなすパターンであり得る。パターンは、図7に図示するように湾曲形状でもあり得る(例えば、参照符号33を参照されたい)。また、これらのパターンは、溶接部11を1回又は数回横切ることもできる。加熱源は、この種のパターンに従う移動中にオンにされ得、且つ熱影響を与えるパターン間の移動中にオフにされ得ることを理解されたい。 The pattern along which the heating source moves can be complex and orthogonal or angled to the weld. The pattern can also be curved in shape, as illustrated in FIG. 7 (see, eg, reference number 33). These patterns can also traverse the weld 11 once or several times. It should be appreciated that the heating source may be turned on during movement following such patterns and turned off during movement between heat-affecting patterns.

加熱源のパターンの形状(幅を含む)及び箇所と、変化し且つ位置の関数であり得る強度(すなわち出力)とは、溶接熱サイクルを算出するためのFEコードの組み合わせなどの異なるツールによって予め算出され得、次いで例えば

Figure 0007237961000001
において説明されているように、物理ベースの材料モデルに入力される。 The shape (including width) and location of the heat source pattern, and the intensity (i.e., power), which can vary and be a function of position, can be pre-defined by different tools such as FE code combinations to calculate the weld thermal cycle. can be calculated, then for example
Figure 0007237961000001
input into a physics-based material model, as described in

上述したモデル化概念は、最適化ツールと組み合わせて使用することもできる。加熱源パターンの最適な箇所、形状及び出力を求めるために、浅層ニューラルネットワーク又は同様のソフトウェアツールを使用することができる。 The modeling concepts described above can also be used in combination with optimization tools. A shallow neural network or similar software tool can be used to determine the optimal location, shape and power of the heating source pattern.

図8は、制御された方式で脆弱域の位置をどのように移動させることができるかを図示している。図8は、溶接方向に垂直な断面を開示している。開始点は、厚さ12.5mmのアルミニウム板に溶融溶接されたアルミニウムである。ピーク温度は、異なるグレースケールの領域として示されている。対応する温度は、左側のスケールバーによって明示されている(詳細については、

Figure 0007237961000002
を参照されたい)。6xxx-T6アルミニウム合金では、HAZの最脆弱域は、通常、図に線(脆弱域の元の位置)で表すように、400℃の等温線の近傍に位置する。図に表されるおよその位置で表面に加熱源を適用することにより、HAZが再加熱される。この局所熱処理中に達した最高温度の等温線が白線で図示されている。これらの等温線は、同様のアルミニウム構造体に関する前回のシミュレーションに基づく大まかな推定値である。図に示すように、ここで、400℃の等温線の白線が溶接部中心線から更に離れた位置まで移動している。溶接部の最脆弱域がこの位置と厳密に一致する。 Figure 8 illustrates how the location of the vulnerable area can be moved in a controlled manner. FIG. 8 discloses a section perpendicular to the welding direction. The starting point is aluminum melt welded to a 12.5 mm thick aluminum plate. Peak temperatures are shown as areas of different gray scales. The corresponding temperatures are marked by the scale bar on the left (for details see
Figure 0007237961000002
(see ). For 6xxx-T6 aluminum alloys, the zone of greatest weakness in the HAZ is usually located near the 400° C. isotherm, as represented by the line (original position of the zone of weakness) in the figure. The HAZ is reheated by applying a heat source to the surface at approximately the location represented in the figure. The maximum temperature isotherm reached during this localized heat treatment is illustrated by the white line. These isotherms are rough estimates based on previous simulations on similar aluminum structures. As shown in the figure, the white line of the 400° C. isotherm has now moved further away from the weld centerline. The weakest zone of the weld coincides exactly with this position.

上記で説明したように、脆弱域の位置を移動させて脆弱域を拡大することが可能であるだけではない。第1の局部熱処理後に第2の局所熱処理を使用することにより、第1の局部加熱サイクルで温度が約460~480℃を超えた領域において人工時効硬化を得ることができる(図9を参照されたい)。 As explained above, it is not only possible to move the position of the vulnerable area to expand the vulnerable area. By using a second localized heat treatment after the first localized heat treatment, artificial age hardening can be obtained in regions where the temperature exceeded about 460-480° C. in the first localized heating cycle (see FIG. 9). sea bream).

完全溶体化熱処理では、合金組成と、合金の加工方法とに応じて、おそらく520℃を超える温度が必要となる。初期温度条件が特に重要である。硬化粒子(すなわちT4条件でのクラスタ)は、T6又はT7と比較してT4では小さいため、T4条件では、Mg及びSiを固溶体にするためにT6又はT7と比較して低い温度が必要となる。 A full solution heat treatment may require temperatures in excess of 520° C., depending on the alloy composition and how the alloy is worked. Initial temperature conditions are of particular importance. Hardened particles (i.e. clusters at T4 conditions) are smaller at T4 compared to T6 or T7, so T4 conditions require a lower temperature compared to T6 or T7 to bring Mg and Si into solid solution .

しかしながら、第2の時効サイクルにある程度対応する「部分」溶体化熱処理は、約460~480℃までのより低い温度で行われる。 However, the "partial" solution heat treatment, which corresponds in part to the second aging cycle, is performed at a lower temperature, up to about 460-480°C.

図9の右側部分は、ある程度の時間にわたって温度が約180~250℃に維持される第2の局部加熱を図示している。降伏強度は、各位置における実際の温度サイクルに応じて大幅に高まる。加熱源が追従する位置(すなわちパターン)及び印加される出力は、通常、第2の加熱サイクルにおいて第1の加熱サイクルと比較して異なる。 The right part of FIG. 9 illustrates a second localized heating in which the temperature is maintained at about 180-250° C. for some time. Yield strength increases significantly with actual temperature cycling at each location. The position (ie pattern) followed by the heating source and the power applied are typically different in the second heating cycle compared to the first heating cycle.

図5に関して説明したような本発明に係る熱処理から始めて、溶接部に沿った垂直方向対称線が示される、溶接された板の半部の上面図を示す図10を参照する。ここで、位置0は、溶接金属を示し、1は、T域を示し、位置2及び4は、溶接作業及びその次の熱処理後のHAZの外側境界を示す。位置3における「フィンガ」は、前述のT4域の荷重と同様の荷重に耐えるように熱処理されたHAZの領域を表す。位置5は、耐荷重特性が溶接作業の影響を受けていないT6域を表す。 Starting with the heat treatment according to the invention as described with respect to FIG. 5, reference is made to FIG. 10, which shows a top view of the welded plate halves, in which the vertical symmetry line along the weld is indicated. Here, position 0 indicates the weld metal, 1 indicates the T4 zone, and positions 2 and 4 indicate the outer boundaries of the HAZ after the welding operation and subsequent heat treatment. The "fingers" at position 3 represent areas of the HAZ that have been heat treated to withstand loads similar to those of the T4 area described above. Position 5 represents the T6 zone where the load bearing properties are unaffected by the welding operation.

図に開示する長さL1、L2、L3及びLを基準にして、位置0~5での最終引張強度(UTS)について、以下:
0.UTS_溶接金属
1.UTS_T4
2.((L1+L2)UTS_HAZ+L3UTS_T4)/L
3.(L1UTS_T6+L2UTS_HAZ+L3UTS_T4)/L
4.(L1UTS_T6+(L2+L3)UTS_HAZ)/L
5.UTS_T6
を設定することができる。
Based on the lengths L1, L2, L3 and L disclosed in the figure, the ultimate tensile strength (UTS) at positions 0-5 is as follows:
0. UTS_WELD METAL 1. UTS_T4
2. ((L1+L2) * UTS_HAZ+L3 * UTS_T4)/L
3. (L1 * UTS_T6+L2 * UTS_HAZ+L3 * UTS_T4)/L
4. (L1 * UTS_T6+(L2+L3) * UTS_HAZ)/L
5. UTS_T6
can be set.

以下の数値例は、結果として生じる耐荷力の増加に対するPWHTの適用の効果を推定するために上記の関係をどのように使用できるかを示している。 The numerical example below shows how the above relationship can be used to estimate the effect of PWHT application on the resulting increase in load-bearing capacity.

例:L=200mm、L1=45mm、L2=5mm、L3=150mm、UTS_T4=200MPa、UTS_HAZ=150MPa、UTS_T6=300MPa。 Examples: L=200 mm, L1=45 mm, L2=5 mm, L3=150 mm, UTS_T4=200 MPa, UTS_HAZ=150 MPa, UTS_T6=300 MPa.

上記の関係から、本発明者らは、位置1~5での最終引張強度(UTS)について、以下の値:
1.UTS=200MPa
2.UTS=187.5MPa
3.UTS=221.3MPa
4.UTS=183.8MPa
5.UTS=300MPa
を得る。
From the above relationships, we find the following values for ultimate tensile strength (UTS) at positions 1-5:
1. UTS = 200MPa
2. UTS = 187.5 MPa
3. UTS = 221.3 MPa
4. UTS = 183.8 MPa
5. UTS = 300MPa
get

したがって、本例では、耐荷力に対応する部品の最小UTSは、183.8MPaである。PWHTが行われていない溶接された部品についての対応する耐荷力は、150MPaである。したがって、PWHTを行うことによる耐荷力の予測増加量は、22.3%である。 Therefore, in this example, the minimum UTS of the component for load bearing capacity is 183.8 MPa. The corresponding load-bearing capacity for welded parts without PWHT is 150 MPa. Therefore, the predicted increase in load-bearing capacity due to PWHT is 22.3%.

域1に別途の熱処理を行うことにより、この域における最終引張強度(UTS)を高めることが可能であり得る。図9の域1は、図3に示すHAZにおける、すなわち溶接部11とHAZ12の境界線との間の軟化域に対応する。この域において最適な溶接後熱処理を行うことにより、材料の強度は、T6と同様の強度まで向上させることができる。上記で説明した局部PWHT法の適用は、溶接金属、すなわち図10の域0における強度を高めるために利用することもできる。溶接金属に起こり得る強度向上は、それぞれ母材及びフィラーワイヤの組成により与えられる、この域における結果として得られる化学組成と、溶接金属中のフィラーワイヤと母材との相対比率を定めるいわゆる「希釈」とによって決まる。 By subjecting zone 1 to a separate heat treatment, it may be possible to increase the ultimate tensile strength (UTS) in this zone. Zone 1 in FIG. 9 corresponds to the softened zone in the HAZ shown in FIG. By performing an optimum post-weld heat treatment in this region, the strength of the material can be increased to a strength similar to that of T6. Application of the localized PWHT method described above can also be used to increase the strength of the weld metal, ie region 0 in FIG. The possible strength enhancement of the weld metal is given by the composition of the base metal and filler wire respectively, the resulting chemical composition in this region and the so-called "dilution" which defines the relative proportions of filler wire and base metal in the weld metal. is determined by

最小強度のHAZ域と比較して完全に粒子が溶解した域の大幅な強化をもたらす急速PWHT処理の効果をシミュレーションによって検討した。図11では、2mmの板厚に基づく4つの試料と、5mmの板厚に基づく4つの試料とが与えられている。これらのグループの各々には、最小強度HAZ域(115MPa及び125MPa)の異なる2つの降伏応力値と更に直線状HAZ及び波状HAZとを有する、試料が存在する。波状HAZは、局部誘導加熱によって生じる。 Simulations investigated the effect of rapid PWHT treatment in leading to a significant enhancement of the fully grain dissolved zone compared to the HAZ zone of minimal intensity. In FIG. 11, 4 samples based on 2 mm thickness and 4 samples based on 5 mm thickness are given. In each of these groups there are samples with two different yield stress values in the minimum strength HAZ zone (115 MPa and 125 MPa) and also a linear HAZ and a wavy HAZ. A wavy HAZ is caused by local induction heating.

図12では、直線状HAZでの、115MPaのHAZ降伏応力に対する厚さ2mmの板の中央の有効応力が可視化されている。 In FIG. 12, the effective stress in the middle of a 2 mm thick plate is visualized for a HAZ yield stress of 115 MPa in a straight HAZ.

図13は、膨出したHAZでの、115MPaのHAZ降伏応力に対する厚さ2mmの板の中央の有効応力を可視化している。 FIG. 13 visualizes the effective stress in the center of a 2 mm thick plate for a HAZ yield stress of 115 MPa in a bulging HAZ.

図12及び図13に示すのと同様の可視化が8つの試料の全てに対して実行されている。 Visualizations similar to those shown in FIGS. 12 and 13 have been performed for all eight samples.

図14は、図11の試料に基づくシミュレーションの概要を開示している。図は、直線状HAZ形状では、横断方向強度がHAZ強度によって制限されるが、波状HAZ形状では、はるかに高い横断方向荷重応力が付与されなければ深刻な局部降伏が起こらないため、全体の耐荷力が大いに高められることを明確に図示している。この結果は、良好なエネルギー吸収も表しているが、横断方向伸びが最大局部歪の同じ値に対して約50%大きいからである。 FIG. 14 discloses a simulation overview based on the sample of FIG. The figure shows that for the straight HAZ profile, the transverse strength is limited by the HAZ strength, whereas for the wavy HAZ profile, severe local yielding does not occur unless a much higher transverse loading stress is applied, thus reducing the overall load bearing capacity. It clearly illustrates that the force can be greatly enhanced. This result also indicates good energy absorption, since the transverse elongation is about 50% greater for the same value of maximum local strain.

例えば、両方とも厚さ2mmの板に関係するが、直線状及び波状のHAZ形状をそれぞれ有する試料111及び121の比較により、横断方向の模擬応力荷重が189MPa~234MPaに増加したことを示している。 For example, a comparison of Samples 111 and 121, both involving a 2 mm thick plate but having straight and wavy HAZ geometries respectively, shows that the simulated stress load in the transverse direction increased from 189 MPa to 234 MPa. .

本シミュレーションは、溶接されたアルミニウム部品の強度をHAZの幾何学的形状の修正によって高め得ることを裏付けている。これらの例は、残りの母材の形状が、好ましくは、ジグザグ形状又は鈍い形状ではなく、むしろ軟化域への直線状の細いフィンガであるべきであることを裏付けている。板の厚さに対するHAZの幅が大きいほど、強度が大幅に向上することが示されている。その効果は、内部(T4)領域の強度を高めるためにPWHTが適用される場合、より強くなると考えられる。 This simulation confirms that the strength of welded aluminum parts can be enhanced by modification of the HAZ geometry. These examples confirm that the shape of the remaining matrix should preferably be a straight thin finger to the softened zone rather than a zig-zag or blunt shape. It has been shown that the greater the width of the HAZ relative to the plate thickness, the greater the strength improvement. The effect is believed to be stronger when PWHT is applied to enhance the intensity of the inner (T4) region.

図15には、異なる荷重状態に適用できる、局部溶接後熱処理後の脆弱域22’、23’の箇所の例が示されている。溶接作業後の脆弱域の箇所は、符号12’、13’で表されている。実際の荷重力は、溶接部に対して横断方向若しくは平行である(溶接部11の各側面に相反する方向に作用する剪断力)か、又はこれらの組み合わせであり得る。力は、平面内又は平面外で作用することもできる。その力は、分散させることができるか又は集中荷重として作用することができる。 FIG. 15 shows examples of locations of weakened zones 22', 23' after local post-weld heat treatment that can be applied to different loading conditions. The locations of the weakened zones after the welding operation are designated 12', 13'. The actual loading force may be transverse or parallel to the weld (shear forces acting in opposite directions on each side of the weld 11), or a combination thereof. Forces can also act in-plane or out-of-plane. The force can be distributed or act as a concentrated load.

この力は、部品又は製品の表面に直交する方向に付与された圧力に起因しても作用し得る。加えて、この種の荷重は、部品又は製品に高速で作用する爆風荷重であり得る。 This force can also act due to pressure applied perpendicular to the surface of the part or product. In addition, such loads can be blast loads acting on the part or product at high velocities.

図16は、溶接部11に対して横断方向の力を受けた溶接された部品の断面を開示している。 FIG. 16 discloses a cross-section of the welded parts subjected to a force transverse to the weld 11. FIG.

図17は、部品の表面に対して直交方向の圧力を受けた溶接された部品の断面を開示している。溶接部は、符号11’で開示されている。 FIG. 17 discloses a cross-section of the welded parts under pressure perpendicular to the surfaces of the parts. The weld is disclosed at 11'.

概念の実験的検証:
図18は、局部PWHTが適用されない場合の溶接部にわたる荷重印加中の歪分布を示している。溶接部を横断する荷重印加中の主応力は、横断方向加熱(局部PWHT)が適用されていない場合、デジタル画像相関法(DIC)によって得られた。
Experimental validation of the concept:
FIG. 18 shows the strain distribution during load application across the weld when no local PWHT is applied. The principal stress during loading across the weld was obtained by digital image correlation (DIC) when no transverse heating (localized PWHT) was applied.

この実験装置では、MIG溶接によって溶接を行った。しかし、他の溶接技術を用いても、例えば溶接が摩擦撹拌溶接によって行われる場合にも同様の応力パターンが生じるであろう。 In this experimental device, welding was performed by MIG welding. However, similar stress patterns will occur using other welding techniques, such as when the weld is performed by friction stir welding.

図では、歪の分布が異なるグレースケールで示されている。この図から、溶接部に平行な2本の線、すなわち溶接部の両側に位置する熱影響域(HAZ)に密接して沿う、白色領域に沿って歪が蓄積されていることが明白である。これは、局部加熱が適用されない場合の、すなわちPWHTなしの溶接方向を横断する荷重印加中の正常な状態である。 In the figure, the strain distribution is shown in different gray scales. From this figure it is evident that the strain builds up along two lines parallel to the weld: the white areas closely along the heat affected zone (HAZ) located on either side of the weld. . This is the normal condition during load application transverse to the weld direction when no localized heating is applied, ie, no PWHT.

図19は、図18の溶接部の箇所と、熱影響域における軟化域の箇所に対応する破断の位置の表示とを開示している。 FIG. 19 discloses the location of the weld of FIG. 18 and an indication of the location of the fracture corresponding to the location of the softened zone in the heat affected zone.

図20は、局部PWHTが適用された場合の溶接部にわたる荷重印加中の歪分布を開示している。図21は、溶接部の箇所と、付与された局部PWHTパターンの位置の表示とを開示している。破断の箇所も示されている。 FIG. 20 discloses the strain distribution during load application across the weld when localized PWHT is applied. FIG. 21 discloses the location of the weld and an indication of the location of the applied local PWHT pattern. The location of the break is also indicated.

図20及び図21は、摩擦撹拌源による横断方向の加熱に関して局部PWHTが適用されたことを別にすれば、それぞれ図18及び19と同様である。しかしながら、この局部PWHTのためにレーザなどの任意の適切な加熱源を適用することもできたであろう。図20に示す、結果として生じた歪パターンは、歪がほぼ規則的なパターンをもたらすため、図18のパターンと大幅に異なる。図21は、局部PWHTの痕跡及びMIG溶接部の位置並びに破断の位置も示している。 Figures 20 and 21 are similar to Figures 18 and 19, respectively, except that localized PWHT was applied for transverse heating by the friction stir source. However, any suitable heating source, such as a laser, could have been applied for this localized PWHT. The resulting strain pattern, shown in FIG. 20, differs significantly from that of FIG. 18 because the strain results in a nearly regular pattern. FIG. 21 also shows local PWHT signatures and locations of MIG welds and fracture locations.

図22は、上記で説明した異なる2つの場合、すなわち局部加熱源の不適用(破線)及び本発明による溶接部を横断する局部加熱源の適用(実線)についての記録された応力対伸びを示している。 FIG. 22 shows the recorded stress versus elongation for the two different cases described above: no application of a localized heat source (dashed line) and application of a localized heat source across the weld according to the invention (solid line). ing.

図18及び図20に示す異なる歪パターンは、図22に示すように、横断方向の荷重印加中に異なる反応をもたらす。この図から、局部PWHTパターンを有する試料は、有しない試料よりも良好な全体性能を呈することが明白である。したがって、最大応力と破断伸びとの両方は、本発明に係る局部PWHTを伴う試料の方が、伴わない試料と比較して良好であった。 Different strain patterns shown in FIGS. 18 and 20 result in different responses during transverse loading, as shown in FIG. From this figure, it is clear that samples with localized PWHT patterns exhibit better overall performance than those without. Therefore, both the maximum stress and the elongation to break were better for the samples with localized PWHT according to the invention compared to those without.

実際には、熱影響パターンの設計及び配置は、実際の設計荷重に関して最適化されなければならず、異なるアルミニウム合金と、多材料による解決策の異なる組み合わせとによって異なり得ることを理解されたい。 In practice, the design and placement of the heat effect pattern must be optimized for the actual design load, and it should be understood that it may differ for different aluminum alloys and different combinations of multi-material solutions.

更に、加熱源は、本発明に係る結果をもたらす任意の構成で移動させることができる。例えば、加熱源は、伝播移動と組み合わせることができる基本循環パターンで移動させることができる。 Additionally, the heating source can be moved in any configuration that yields results according to the present invention. For example, the heating source can be moved in a basic circular pattern that can be combined with propagating movement.

Claims (19)

溶接されたアルミニウム合金部品の溶接後熱処理のための方法であって、溶接部は、低下した耐荷力の熱影響域を有する延在部(e)を有し、前記方法は、
- 前記熱影響域を特定するステップ
- 前記熱影響域の少なくとも1つの第1の箇所に加熱源を適用するステップ
- 前記加熱源が、Tminを超える温度を発生させるステップ
- 前記加熱源が少なくとも時間tminにわたって前記箇所に保持されるステップ
- 前記加熱源が時間tminの経過後に前記第1の箇所から除去され、且つ前記第1の箇所から所定の距離にある、前記溶接部の前記延在部に沿った第2の箇所に適用されるステップ
を備えた局部溶接後熱処理によって特徴付けられ、
前記局部溶接後熱処理によって、前記熱影響域の領域が、前記溶接部にわたる改善された力分布のために拡大される、方法。
1. A method for post-weld heat treatment of welded aluminum alloy parts, the weld having an extension (e) having a heat affected zone of reduced load-bearing capacity, said method comprising:
- identifying the heat affected zone ;
- applying a heating source to at least one first location of said heat affected zone;
- said heating source generates a temperature above Tmin ;
- said heating source is held at said location for at least a time tmin;
- the heating source is removed from the first point after a time tmin and applied to a second point along the extension of the weld at a predetermined distance from the first point; step and
characterized by a local post-weld heat treatment with
The method , wherein the local post-weld heat treatment enlarges the area of the heat affected zone for improved force distribution across the weld.
時間tminの経過後、前記加熱源は、前記アルミニウム合金部品に接触して移動されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 2. A method according to claim 1, characterized in that after a time tmin the heating source is moved in contact with the aluminum alloy part. 前記加熱源は、前記熱影響域を横断する方向に移動されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。 3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the heating source is moved in a direction transverse to the heat affected zone. 前記加熱源は、矩形ジグザグパターンで移動されることを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the heating source is moved in a rectangular zigzag pattern. 前記加熱源は、前記拡大された熱影響域を形成するように、予め算出された線及び曲線に従って移動されることを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating source is moved according to pre-calculated lines and curves so as to form the enlarged heat affected zone . 前記溶接部は、前記局部溶接後熱処理によって処理されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the weld is treated with the local post-weld heat treatment . 前記局部溶接後熱処理後、前記アルミニウム合金部品は、焼鈍炉内で熱処理されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein after the post local weld heat treatment , the aluminum alloy component is heat treated in an annealing furnace. 請求項1~7に記載の方法による、低下した耐荷力を有する熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品の溶接後熱処理のための装置であって、溶接部は、延在部(e)を有し、
前記装置は、前記部品に対して相対的に移動可能であり、且つ更に前記溶接部に沿った前記部品の所定の位置に位置決めされることが可能である加熱源を含み、前記加熱源は、更に前記位置において前記部品に伝達される熱に影響を及ぼす温度及び前記加熱源を前記部品の前記所定の位置に保持する時間に関して制御可能であり、
前記局部溶接後熱処理によって、前記溶接部に沿った熱影響域の領域が、前記溶接部にわたる改善された力分布のために段階的に拡大される、装置。
Apparatus for post-weld heat treatment of welded aluminum alloy parts having a heat affected zone with reduced load-bearing capacity according to the method according to claims 1-7, wherein the weld zone comprises an extension (e) has
The apparatus includes a heat source movable relative to the component and further positionable at a predetermined location on the component along the weld, the heat source comprising: further controllable with respect to the temperature affecting the heat transferred to the component at the location and the time the heating source is held at the predetermined location on the component ;
The apparatus of claim 1, wherein the local post-weld heat treatment progressively enlarges the area of the heat affected zone along the weld for improved force distribution across the weld.
前記加熱源は、前記部品に沿って移動する溶接機器に取り付けられることを特徴とする、請求項8に記載の装置。 9. The apparatus of claim 8, wherein the heat source is attached to welding equipment that moves along the part. 前記加熱源は、前記部品が移動されている間、動かないことを特徴とする、請求項8に記載の装置。 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the heating source does not move while the part is being moved. 前記加熱源は、プログラマブルPLCによって制御されることを特徴とする、請求項8に記載の装置。 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the heating source is controlled by a programmable PLC. 前記加熱源は、プログラマブルPLCによって制御されるマニピュレータ又はロボットに取り付けられることを特徴とする、請求項8に記載の装置。 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the heating source is attached to a manipulator or robot controlled by a programmable PLC. 請求項1~7のいずれか一項に記載の局部溶接後熱処理に従って処理された熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品において、
前記局部溶接後熱処理によって、前記溶接部に沿った熱影響域の前記領域は、前記溶接部にわたる改善された力分布のために段階的に拡大され、それにより前記部品の耐荷重特性の向上を提供することを特徴とする、溶接されたアルミニウム合金部品。
In a welded aluminum alloy component having a heat affected zone treated according to the local post-weld heat treatment according to any one of claims 1 to 7,
The local post-weld heat treatment causes the area of the heat affected zone along the weld to be progressively enlarged for improved force distribution across the weld, thereby enhancing the load-bearing properties of the component. A welded aluminum alloy component, characterized in that it provides:
前記溶接部に沿った前記局部溶接後熱処理による熱影響域の追加の領域は、前記溶接部の主方向の向きと異なる向きを有することを特徴とする、請求項13に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 14. The heat affected zone of claim 13, wherein additional regions of the heat affected zone along the weld due to the local post-weld heat treatment have an orientation different from the orientation of the main direction of the weld. with welded aluminum alloy parts. 前記溶接部に沿った前記局部溶接後熱処理による熱影響域の前記追加の領域は、前記局部溶接後熱処理が、剪断力に耐える材料の能力を向上させることにより、前記熱影響域の前記耐荷力を増加させるように配向されることを特徴とする、請求項13又は14に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 The additional area of the heat affected zone due to the local post-weld heat treatment along the weld increases the load-bearing capacity of the heat affected zone by increasing the material's ability to withstand shear forces. 15. A welded aluminum alloy part with a heat affected zone according to claim 13 or 14, characterized in that it is oriented so as to increase the . 前記溶接部に沿った前記局部溶接後熱処理による熱影響域の前記追加の領域は、ジグザグパターンを有することを特徴とする、請求項13~15のいずれか一項に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 Having a heat affected zone according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the additional area of the heat affected zone due to the local post-weld heat treatment along the weld has a zigzag pattern. Welded aluminum alloy parts. 押出部分、圧延部分又は鋳造部分の少なくとも1つを含むことを特徴とする、請求項13~16のいずれか一項に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 A welded aluminum alloy part with a heat affected zone according to any one of claims 13 to 16 , characterized in that it comprises at least one of an extruded part, a rolled part or a cast part. アルミニウム又はアルミニウム合金以外の金属材料の部品に溶接されることを特徴とする、請求項13~17のいずれか一項に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 Welded aluminum alloy part with a heat affected zone according to any one of claims 13 to 17 , characterized in that it is welded to a part of a metallic material other than aluminum or an aluminum alloy. 鋼部品又は鋼合金部品に溶接されることを特徴とする、請求項18に記載の熱影響域を有する溶接されたアルミニウム合金部品。 19. Welded aluminum alloy part with heat affected zone according to claim 18 , characterized in that it is welded to a steel part or a steel alloy part.
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